Способ очистки отработавших газов

 

Использование: энергетические установки ,- двигатели внутреннего сгорания, газотурбинные двигатели, ракетные двига тели, мартеновские печи, котлы ТЭС и т.д. Сущность изобретения: в поток отработавших газов подают химически активную среду , в месте ввода замеряют температуру потока отработавших газов, при неравенстве оптимального значения температуры химически активной среды и значения температуры отработавших газов подают водородокислородные вещества перед повторной подачей газа, содержащего кислород . 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕО1УБЛИК (ю1)5 F 01 N 3/10

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ V О

Яь 4

Сд

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4714486/06 (22) 03.07.89 (46) 15.03.92. Бюл.%10

4 (71) Московский авиационный институт им.

Серго Орджоникидзе (72) И.И.Кутыш (53) 621.434.068.4 (088.8) (56) Патент США М 3908365, кл. F 01 N 3/14, 1975. (54) СПОСОБ ОЧИСТКИ ОТРАБОТАВШИХ

ГАЗОВ (57) Использование: энергетические установки — двигатели внутреннего сгорания, Изобретение относится к охране окружающей среды, а точнее к защите воздушного бассейна от вредных веществ (ВВ), образующихся при сжигании углеводородных топлив в различных энергетических уСтановках; двигателях внутреннего сгорания, газотурбинных двигателях, ракетных двигателях, мартеновских печах, котлах ТЭ С и т.д, Известен способ дожигания отработавших газов (ОГ) путем регулируемого ввода подогретого воздуха при поддержании температуры в зоне горения в пределах 950—

1300оС.

Этот способ пригоден преимущественно для очистки ОГ от СО и несгоревших углеводородов и малоэффективен при очистке ОГ от NOx, так как скорости химических реакций образования и разложения NOX в указанном диапазоне температур практически заморожен ы.

Известен также способ очистки ОГ от

ВВ, в соответствии с которым производят частичное дожигание неокисленных компо,, SU, 1719673A1 газотурбинные двигатели, ракетные двигатели, мартеновские печи, котлы ТЭС и т,д.

Сущность изобретения: в поток отработавших газов подают химически активную среду, в месте ввода замеряют температуру потока отработавших газов, при неравенстве оптимального значения температуры химически активной среды и значения температуры отработавших газов подают водородокислородные вещества перед повторной подачей газа. содержащего кислород, 3 з.п.ф-лы, 2 ил. нентов в потоке ОГ при температуре не ни- же 850 С за счет ввода в поток ОГ газа, содержащего .кислород; уменьшение .концентрации NO> за счет воздействия на поток ОГ химически активной среды (ХАС); повторное дожигание неокисленных компонентов при температуре потока ОГ не менее

350 Сза счет ввода в поток ОГгаза.содержащего кислород.

Сущность этого способа уменьшения

NOx в ОГ заключается в том, что с участием веществ ХАС химические реакции образования и разложения ЙОх протекают с достаточной скоростью в низкотемпературной области, близкой к температуре истечения

ОГ из энергоустановки.

При отсутствии ХАС интенсивное протекание реакций образования и разложения

NO наблюдается при температуре выше

17000С. Такой уровень температур в ОГ может быть достигнут только при дополнительном сжигании топлива, что нецелесообразно экономически. Поэтому низкотемпературное подавление эмиссии

1719673

МО» с помощью ХАС беэ дополнительного сжигания топлива является главным достоинством этого способа.

Однако, если температура потока ОГ изменяется в широких пределах, то эффективность низкотемпературного способа уменьшения NO» в ОГ будет весьма низкой или этот эффект может совсем отсутствовать.

Цель изобретения — увеличение эффективности очистки Ol от NO» при значительном изменении температуры потока ОГ.

Как показывают эксперименты, существенное уменьшение концентрации NO» при взаимодействии ХАС с ОГ проявляется в очень узком температурном диапазоне с ярко выраженным минимумом концентрации

NO» в ОГ, т.е. имеет место оптимальная температура, при которой наблюдается минимальная концентрация NO» в ОГ.

Поставленная цель достигается подстройкой оптимальной температуры выбранной ХАС под текущую температуру потока ОГ путем регулируемого ввода водородокислородных веществ (ВКВ).Кроме того, ВКВ и/или ХАС подогревают перед вводом их в поток ОГ. Подогрев ВКВ и ХАС можно осуществлять как за счет энергии извне, так и за счет энергии потока ОГ. Применение утилизации энергии потока предпочтительней, так как позволяет повысить экономичность энергоустановки. Расчеты показывают, что если подогрев ВКВ и ХАС осуществлять за счет энергии потока ОГ, то их температура будет примерно на 50—

100 С ниже температуры потока ОГ в месте ввода BKB и ХАС, т.е. будет близкой к температуре ОГ. Подогрев ВКВ и ХАС увеличивает их реакционную способность и способствует достижению поставленной цели. В качестве BKB могут использоваться вещества, сдвигающие оптимальную температуру для данной ХАС в области низких и высоких температур.

На фиг.1 показана схема устройства, в которой реализуется способ очистки ОГ от

ВВ; на фиг.2 — влияние ввода аммиака и водорода на относительную концентрацию

El в ОГ при различных температурах потока ОГ в месте ввода.

Устройство очистки ОГ от ВВ содержит корпус 2 устройства, форсунки 3 для ввода

ХАС, ВКВ и газа, содержащего кислород, теплообменники 4, вентиль 5, датчики 11 и

13 температуры, газоанализаторы 10 и 12, блок 14 сравнения, задатчик 15 температуры, задатчик 16 регулятора, регулятор 17, блок 18 управления исполнительным механизмом, исполнительный механизм 19, чувствительные элементы 24 и 26 датчиков где сравниваются значение датчика 13 и . значение оптимальной температуры ХАС, 50 поступающее от задатчика 15 температуры.

В случае отклонения значения температуры потока ОГ от оптимальной температуры ХАС из блока 14 сравнения поступает разностный сигнал на изменение уставки задатчика 16 и в блок 18 управления для открытия вентиля

5. При положительной разности между оптимальной температурой ХАС и температурой потока ОГи положительном разностном сигнале блока 14 сравнения вводятся ВКВ, сдвигающие значение оптимальной темпе5

45 температуры и пробоотборники 23, 25 и

27., Способ очистки ОГ от ВВ в устройстве (фиг,1) осуществляется следующим образом.

ОГ 1 поступают иэ энергоустановки в устройство очистки ОГ от ВВ с произвольными температурой и концентрациями ВВ.

Начальные концентрации ВВ определяются с помощью стандартного анализатора 10 и пробоотборника 23.

Неокисленные компоненты, содержащиеся в ОГ, вначале частично дожигаются при температуре не ниже 850 С путем ввода через форсунку 3 газа 6, содержащего кислород. При этом оставшееся количество

СО в ОГ должно быть больше, чем количество NO», Концентрации СО в ОГ после первичного дожигания и NO» измеряются с помощью газоанализатора 12 и пробоотборника 27.

Затем концентрация NO» в Ol уменьшается за счет ввода в поток ОГ с помощью форсунки 3, подогретой в теплообменнике

4, ХАС 7. Температура потока ОГ в месте ввода ХАС измеряется с помощью датчика

13 температуры и чувствительного элемента

24, а концентрация NO» после ввода ХАС— с помощью анализатора 12 и пробоотборника 25.

Если оптимальная температура ХАС не равна температуре потока ОГ в месте ввода

ХАС 7, то производится подстройка оптимальной температуры ХАС под температуру потока ОГ с помощью регулируемого ввода в поток ОГ с помощью форсунки 3 и вентиля

5 подогретых в теплообменнике 4 BKB 8.

ВКВ сдвигают оптимальную температуру

ХАС в области более низких или более высоких температур потока ОГ. С помощью задатчика 16 и регулятора 17 производится установка рабочего положения вентиля 5, при этом разностный сигнал задатчика 16 воздействует через регулятор 17 и блок 18 управления на исполнительный механизм

19 вентиля 5. Сигнал эадатчика 13 температуры поступает на вход блока 14 сравнения, 1719673 ратуры XAC в область более низких температур, например водород или перекись водорода, а при отрицательной разности между оптимальной температурой XAC u температурой потока ОГ и отрицательном 5 разностном сигнале блока 14 сравнения вводятся ВКВ, сдвигающие значение оптимальной температуры ХАС в область более высоких температур, например вода. Величина сдвига оптимальной температуры XAC 10 определяется концентрацией ВКВ в ОГ.

Далее производится повторное дожигание неокисленных компонентов (в основном СО и углеводородов, NO> практически

"заморожены") в ОГ при температуре не ни- 15 же 350 С путем ввода в поток ОГ через форсунку 3 газа 6, содержащего кислород.

Контроль температуры потока ОГ при повторном дожигании ведется с помощью датчика 11 и его чувствительного элемента 26. 20

Очищенные от ВВ ОГ 9 затем отводятся в атмосферу.

Были проведены теоретические и экспериментальные исследования предлагаемого способа очистки ОГ от ВВ, в котором 25 достигается увеличение качества очистки

ОГ от NOX.

В качестве ХАС 7 использовали аммиак (й Нз), в качестве газа 6, содержащего кислород-,воздух, а в качестве БК — водород, 30 когда требовался сдвиг оптимальной температуры аммиака в область более низких температур, илй вода, когда требовался сдвиг оптимальной температуры аммиака в область более высоких температур, 35

Эффективность очистки ОГ от NOx оценивали параметром, который. подсчитывался как отношение конечной и начальной концентраций NO в ОГ, Вначале были проведены эксперимен- 40 ты, направленные на определение оптимальной температуры. Для этого в устройство очистки ОГ от ВВ подавали ОГ, температура которых изменялась от 800 до

1200 С. Контроль температуры потока ОГ 45 производили датчиком 13. Начальную концентрацию NO в ОГ поддерживали неизменной на протяжении всего эксперимента.

Уменьшение NO в ОГ обеспечивали воздействием на поток ОГ аммиаком 7 через фор- 50 сунку 3 с постоянной концентрацией 485 ед./млн. Значения начальной и конечной концентраций No в ОГ измеряли газоанализаторами соответственно 10 и 12 с помощью пробоотборников 23 и 25, а затем подсчиты- 55 вали параметр Е!но. При этом ввод воздуха и BKB отсутствовал, Результаты экспериментов представлены на фиг.2 в виде кружков 20. Из графика видно, что оптимальная температура, при которой достигается мжсимальное уменьшение (примерно в 10 раз) концентрации NO в ОГ, равна 980 С.

Именно на это значение необходимо настроить задатчик 15 температуры, если в качестве XAC выбрать аммиак. Область температур, в которой реализуется существенное уменьшение концентрации NO, локализуется в окрестности оптимальной температуры аммиака и (++ 120 ... ++. 130 С), т,е. в очень узком диапазоне температур.

Поэтому для эффективного уменьшения концентрации йОх необходимо обеспечить точное совпадение температуры потока ОГ с оптимальной температурой ХАС.

Влияние ввода водорода на сдвиг оптимальной температуры аммиака исследовалось численно. Достоверность математического моделирования проверялась по результатам сопоставления данных физического и численного экспериментов (фиг.2). На графике (фиг.2) видно, что теоретическая кривая 21 удовлетворительно модулирует экспериментальные точки 20, особенно хорошее совпадение наблюдается в определении оптимальной температуры аммиака. На фиг.2 приведена теоретическая кривая 22, моделирующая сдвиг оптимальной температуры в область более низких температур при вводе водорода с концентрацией 450 ед./млн. Такой ввод водорода сдвигает оптимальную температуру аммиака примерно на 90 С в область более низких температур. Причем сдвиг оптимальной температуры аммиака существенно не изменяет размеры области, в которой наблюдается уменьшение концентрации NO в ОГ, Физический эксперимент проводился только для одной температуры потока ОГ.ОГ

1 подавали в устройство очистки при 790 С с концентрацией NO 300 ед./млн. Ввод 16 воздуха от расхода ОГ через устройство очистки обеспечил поддержание температуры потока ОГ в месте ввода аммиака 890ОС, а автоматизированный ввод водорода с концентрацией 450 ед./млн привел к сдвигу оптимальной температуры аммиака в область более низких температур на 90 С, что хорошо согласуется с численным экспериментом (фиг.2). Экспериментальная точка 28 на графике (фиг.2) обозначена квадратом. е

Использование предлагаемого способа очистки ОГ от ВВ обеспечит по сравнению с известным следующие преимущества; надежную очистку ОГ от NOx до уровня, предусмотренного нормами на выбросы ВВ; снижение содержания сажи в ОГ; повыше1719673 ние экономичности энергоустановки за счет утилизации энергии Of для подогрева веществ ВКВ и ХАС.

Формула изобретения

1. Способ очистки отработавших газов путем ввода в поток отработавших газов газа, содержащего кислород, последующей подачи в поток химически активной среды и повторного ввода в поток газа, содержащегокислород,отличаю щийсятем,что, с целью повышения эффективности, измеряют температуру потока отработавших газов в месте ввода в него химически активной среды и при неравенстве оптимального значенйя температуры химически активной среды и значения температуры отработавших газов осуществляют подачу водородокислородных веществ в поток перед повторной подачей газа, содержащего кислород, 2. Способ по п.1, отличающийся

5 тем. что водородокислородные вещества и/или химически активную среду подогревают отработавшими газами.

3. Способ по пп.1 и 2, о т л и ч а ю щ и й10 с я тем, что в качестве водородокислородных веществ используют водород и воду.

4, Способ по пп.1 и 2, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что в качестве водородокислород15 ных веществ используют перекись водорода и воду, 1719673

Составитель И.Кутыш

Редактор Л. Веселовская Техред М,Моргентал

Корректор Л,Бескид й

Заказ 753 тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-ЗБ, Раушскэя.наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Емелю

Ндо =—

БМОмв

800 ЯЮ 1000 11Ы и 0Р C

\ фиг. 2